DE1466153A1

DE1466153A1 - Elektronenhalbleiteranordnung fuer Mikrowellen

Info

Publication number: DE1466153A1
Application number: DE19651466153
Authority: DE
Inventors: Yoshihisa Sukuzi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1964-03-16
Filing date: 1965-03-16
Publication date: 1969-05-22
Also published as: US3398301A; NL6503304A; GB1089857A

Description

Firma KABUSHIKI KAISHA HITACHI SEISAKUSHO 4, 1-Chome, Marunouchi, Chiyoda-Ku, Tokyo-To, Japan

Elektronenhalbleiteranordnung für Mikrowellen

Diese Erfindung bezieht sich auf eine neuartige Elektronenhalbleiteranordnung, die außerordentlich wirkungsvoll für Schwingungserzeugung und Verstärkung, insbesondere i'ür Mikrowellen, ist.

Bislang bestanden für Elektronenhalbleiteranorden im allgemeinen obere Grenzen für den nutzbaren Frequenzbereich. Beispielsweise lag die Grenze bei Transistoren iii der Größe von 1000 MlIz, und auch bei Dioden für Vervielfacher und bei Tunneldioden lag die Grenze in der Größe von Lüü GHz. Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik kann man

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Innaher Zukunft keine hohen Arbeitsfrequenzbereiche für derartige Anordnungen erwarten.

Deshalb war es nicht möglich, Anordnungen der genannten Art bei Frequenzen in eigentlichen Hochfrequenzbereichen zu betreiben, und es bestanden Begrenzungen für ihre Arbeitsfrequenzen. Die Hauptgründe hierfür sind, daß die Arbeitsweise solcher Anordnungen unter Verwendung von Halbleitern unvermeidlich quasistationären Charakter hatte und daß zudem die Laufzeit von Trägern wie beispielsweise Elektronen oder positiven Löchern, die in solchen Anordnungen benutzt werden, keine besondere Beachtung fand.

Hinsichtlich der erstgenannten Schwierigkeit wurde bereits vorgeschlagen, Dioden reihenweise anzuordnen und eine wanderwellenartige Betriebsweise zu bewirken. Diese Anordmingen sind jedoch als an sich unveränderlich quasistationär zu betrachten, und man kann ihre Nachteile nicht überwinden. Da die Lebensdauer von Ladungsträgern in dem Halbleiter von Natur aus kurz ist, war es hinsichtlich der zweiten ochwierigkeit nicht möglich, positive Fortschritte in der Verwendung der Laufzeit zu machen.

Deutlicher ausgedrückt ist die Wander^eschwindig-

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keit von Ladungsträgern in Halbleitern um etwa zwei Größenordnungen geringer als die von Elektronen in Elektronenröhren. Gerade wenn man die Laufzeit zu benutzen wünscht, muß man aus diesem Grund die Verzögerungsanordnung und die Eingangs- und Ausgangskoppelglieder mit einer um zwei Größenordnungen höheren Genauigkeit als bei solchen Anordnungen einrichten, wo Elektronenröhren benutzt werden. Dies ist mit herkömmlichen, unveränderten Schaltelementen außerordentlich schwierig zu verwirklichen, so ^iaß die Nachteile dieser Anordnungen bislang nicht behoben v/erden konnten.

Elektronenröhren bringen andererseits auch Schwierigkeiten mit sich. Wenn auch Elektronenröhren zur Schwingungs erzeugung und Verstärkung von Frequenzen bis zu kurzen Millimeterwellen hergestellt worden sind, sind ihre Betriebsspannungen ziemlich hoch, und ihr Anwendungsgebiet ist aus kommerziellen Gründen außerordentlich beschränkt. Aus konstruktiven Gründen und weil die Elektronendichte innerhalb des Elektronenstrahls prinzipiell nicht so groß wie innerhalb eines Halbleiters gemacht werden kann, ist es zudem schv.'lerig, diese Elektronenröhren in kürzeren Wellenlängenbereichen zu betreiben.

Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung liegt 909821/0265

in der Überwindung der beschriebenen Schwierigkeiten.

Im einzelnen bezweckt die vorliegende Erfindung die Schaffung einer Elektronenhalblelteranordnung mit vergleichsweise einfacher Konstruktion und Betriebsweise, die für einen Betrieb bei Frequenzen in einem sehr hohen Frequenzbereich unter Benutzung einer kleinen Betriebsspannung K geeignet ist.

Innerhalb der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Verzögerungsleitung, welche bislang konstruktive Schwierigkeiten mit sich gebracht hat, unnötig, und die Wechselwirkung eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes mit Ladungsträgern wird unter Verwendung einer dünnen Überzugsschicht wirkungsvoll benutzt.

^ Nach der Erfindung ist kurz gesagt eine Elektronen-

halbleiteranordnung für Mikrowellen vorgesehen, die innerhalb einer Schaltungsanordnung mit verteilten Konstanten eine dünne Halbleiterschicht, in der ein elektromagnetisches Radiofrequenzfeld gebildet wird, einen Ladungsträgerinjektor für die Halbleiterschicht und einen Magnetfeldgenerator zur Ablenkung der eingeleiteten Ladungsträger auf Kreisbahnen umfaßt, wobei die gegenüber dem elektromagnetischen Radio-

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frequenzfeld bevorzugte Phasenlagen aufweisenden Ladungsträger fokusiert werden, wodurch die kinetische Energie der Ladungsträger in eine elektromagnetische radiofrequente Leistung umgewandelt wird.

Wesen, Grundgedanke und Einzelheiten der Erfindung werden aus der folgenden Einzelbeschreibung bevorzugter AusfUhrungsforrnen der Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen, wo entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, deutlicher offenbar. Es stellen dar:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene, schematische Ansicht der wesentlichen Bauteile einer AusfUhrungsform einer erfindungsgemäßen Elektronenhalbleiteranordnung;

Fig. 2. einen Querschnitt durch einen wesentlichen Bestandteil einer Anordnung nach Pig. I und

Fig. j einen Querschnitt durch einen wesentlichen Bauteil einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Nach Fig. 1, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, bildet eine Elektrode 1 eine Injektorbasis für Ladungsträger,wie Elektronen,oder positive Löcher in eine Halbleiter-Schicht J durch eine dünne Isolatorschicht 2 hindurch. Auf do/· Halbleiterschicht ji ist eine Elektrode ¹I zum Anlegen

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einer definierten Spannung vorgesehen. Ein Schaltkreis 5 mit verteilten Konstanten beispielsweise in Form eines Koaxialresonators schließt entsprechend seiner Anordnung die Halbleiterschicht 3 ein, so dai3 dort ein verteiltes Mikrowellenfeld anliegt, und ist mittels einer Kopplungslochverbindung 7 ^an einen Wellenleiter 6 angekoppelt. An die Elektroden 1 und 4 ist eine Gleichspannungsquelle 8 angelegt. Die wesentlichen Bauteile der beschriebenen Anordnung sind innerhalb eines Magnetfeldes angeordnet, das bei dem in Pig. I dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise mittels eines Hufeisen-Permanentmagneten erzeugt wird.

Für die Halbleiterschicht 3 ist ein Halbleiter mit langer Lebensdauer der Ladungsträger wie beispielsweise ein aus Wismut hergestellter Halbleiter geeignet. In Abhängigkeit von der zu benutzenden Frequenz können jedoch bei geeigneter Kühlung auch andere V/erkstoffe benutzt werden, da man die Ladungsträgerlebensdauer innerhalb des Halbleiters durch, Kühlung desselben (erforderlichenfalls auf sehr tiefe Temperaturen) verlängern kann. Diese Kühlung wirkt so, daß beispielsweise im Falle von Wismut der Betrieb bei einer sehr tiefen Temperatur zu einer Weglänge in der Gröüe von Millimetern führt.

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Bei einem Aufbau der Anordnung gemäß Fig. 1 durchdringt das in radialer Richtung der Halbleiterschicht 5 durch den Koaxialresonator 5 eingeführte elektrische Feld dann auch das Innere der Halbleiterschicht, wenn die Schichtdicke innerhalb eines Bereiches liegt, wo sich der Skineffekt nicht bemerkbar macht.

Einerseits werden durch die Elektrode 1 und die Isolatorschicht 2 Ladungsträger in die Halbleiterschicht 3 eingeschossen. Wenn beispielsweise Aluminium oder ein aluminiumüberzogenes Metall für die Elektrode 1 benutzt wird, ist Tonerde als Isolatorüberzug 2 sehr wirkungsvoll, da sie leicht zu formen ist und ihre Verwendung innerhalb einer derartigen Anordnung insbesondere einen großen Injektionsfaktor der Ladungsträger begünstigt. Für die Ladungsträgerinjektion kann anstelle der Elektrode 1 und der Isolatorschicht 2 einepn-Übergangsschicht benutzt werden. Die Geschwindigkeit der eingeschossenen Ladungsträger liegt im Bereich von 0,1 V bis zu einigen Volt.

Um den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung aufzuzeigen, wird die folgende analytische Betrachtung für eine Geschwindigkeit der injizierten Ladungsträger von beispielsweise 0,2 V gegeben. Ea sei einerseits ein Magnetfeld mit einer

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Plußdichte von B Qauß in axialer Richtung angenommen. Da in diesem Pail die Bewegungen der eingeschossenen Ladungsträger denen im leeren Raum ähnlich sind, solange sie nicht mit Gitter bausteinen oder anderen Körpern zusammenstoßen, d. h. innerhalb ihrer Lebensdauer, durchlaufen sie Kreisbahnen, die durch die Magnetfeldintensität und die Einschußgeschwindigkeit in Elektronenvolt bestimmt sind. Der Radius r einer solchen Kreisbahn wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

ν = 33,7 -V-". (^- Μ

mit m als freier Elektronenmasse und e

m^ als effektiver Elektronenmasse innerhalb des Halbleiters, wo das Verhältnis m_e/m* in diesem Fall mit 0,2 anzusetzen ist.
Für V = 0,2 V und B = 2000 Gauß erhält man für r etwa 3y£/.

Wenn die Schichtdicke gleich dem Kreisbahnradxus von 3 u gemacht wird, wird jeder Ladungsträger mit höherer Geschwindigkeit nach Durchlaufen etwa einer Viertelskreisbahn an der Schichtaußenfläche anstoßen und gestreut werden, und nur Ladungsträger mit kleinerer Geschwindigkeit können etwa eine halbe Kreisbahn durchlaufen.

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Da außerdem ein elektrisches Radiofrequenzfeld in radialer Richtung anliegt, wird ein mit geeigneter Phasenlage eingeschossener Ladungsträger in radialer Richtung beschleunigt und ein mit anderer Phasenbeziehung eingeschossener Ladungsträger abgebremst. Wenn sich die Amplitude der Radiofrequenzschwingung in ihrer Richtung umkehrt, nachdem ein Ladungsträger eine Viertelskreisbahn durchlaufen hat, d. h. wenn die Frequenz f des Radiofrequenzfeldes dem Doppelten ύ

der Zyklotronfrequenz fc des Magnetfeldes gleich ist, wird ein anfangs abgebremster Ladungsträger nach Durchlaufen einer Viertelskreisbahn weiter abgebremst und setzt seine Kreisbahn fort, und eine Phasenfokusierung wird erreicht.

f = 2 fc = ί^,ό χ ίο""⁵ B/·—— (GHz)

Somit erhält man mit dem oben genannten Magnetfeld von B - 2000 G diese Betriebsweise bei einer Hochfrequenz von f --= 56 GHz.'

Fig. 2 zeigt Bewegungsbahnen von Ladungsträgern, VJODeI die Bewegung eines Ladungsträgers längs der Bahn b keine Beschleunigung oder Verzögerung erfährt. Die Bahn a zeigt die Bewegung eines beschleunigten Ladungsträgers und die Bahn c diejenige eines verzögerten Ladungsträgers. Das

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Ausführungsbeispiel nach Pig. 2 gehört zu dem Fall, wo eine Aluminiumüberzugsschicht la auf die Zentralelektrode 1 aufgezogen ist.

Da die Lebensdauer eines verzögerten Ladungsträgers c langer als die eines Ladungsträgers a ist, ergibt sich im Mittel eine Abbremsung der eingeschossenen Ladungsträger. Durch diese Phasenfokusierung wird die kinetische Energie der eingeschossenen Ladungsträger in elektromagnetische radiofrequente Peldenergie umgewandelt.

Da die Abdichtung der gesamten Anordnung oder eines Teiles derselben innerhalb eines Vakuums oder eines inerten Gases unter Anwendung von bei der Herstellung von Elektronenröhren oder Entladungsröhren bekannten Mai3nahmen leicht erreicht werden kann, um Änderungen der Kenngrößen des Halbleiters oder anderer Teile unter dem Einfluß von Luft auszuschließen, kann eine sich auf diese Maßnahmen beziehende Einzelbeschreibung ausgelassen werden.

Außerdem ist die Anordnung der Metallelektrode 4 ' nicht auf den FdI beschränkt, wo sie außerhalb des Resonators angeordnet ist. Man kann auch eine dünne Goldschicht auf die gesamte Außenfläche der Halbleiterschic ht aufdampfen, um

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hierdurch eine geringe Mikrowellanabsorption und eine hohe elektrische Feldintensität zu erhalten. Wenn sich auch die Ausgangsspannung mit der Gestalt der Anordnung ändert, liegt sie bei einem Ausführungsbeispiel in der Größe von 10 mV/, deren Erzeugung bezüglich der Eingangsgleichstromleistung mit 0,2 v" und 1 A leicht möglich ist.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Er- "

findung nach Fig. J5 sind Doppelschichten von dünne Überzüge bildende Bauteilen zur Umwandlung der kinetischen Energie der eingeschossenen Ladungsträger in Radiofrequenzenergie vorgesehen, deren Arbeitsweise nunmehr beschrieben werden soll.

Die von einer Metallbasis 1, durch eine dünne Isolatorschicht 2 (wenn die Metallbasis 1, aus Aluminium besteht, besteht der Isolator 2 vorzugsweise aus Tonerde in einer Dicke μ von 50 A bis I50 A). in eine dünne Halbleiterschicht 3 eingeschossenen Elektronen werden bezüglich der Phase des radiofrequenten,elektrischen Feldes in drei Phasengruppen a, b und c eingeteilt. Die Bildung des radiofrequenten elektrischen Feldes und der magnetischen Feldintensität sind der bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 beschriebenen ähnlich.

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Die Elektronen der Phasengruppe b erreichen gerade die Außenfläche der dünnen Halbleiterschicht und laufen zurück, woraus folgt, daß sie durch das radiofrequente elektrische Feld weder beschleunigt noch verzögert worden sind. Die Elektronen der Phasengruppe b werden verzögert und setzen die Kreisbewegung fort, da jedoch die Magnetfeldintensität und fe die Frequenz so ausgewählt sind, daß gerade im Bewegungsumkehrpunkt dieser Elektronen sich auch die Phase des Radiofrequenzfeldes umkehrt, setzt sich auch die Verzögerung dieser Elektronen fort. Die Abnahme der kinetischen Energie wird in Radiofrequenzenergie umgewandelt.

f = 2 fc = 5/6 x 10"° B ——■ (GHz)

m^

mit B in Gauß.

™ Die Elektronen der Phasengruppe b befinden sich

in einer Beschleunigungsphase des Radiofrequenzfeldes und haben einen radiofrequenten Energieverlust innerhalb der ersten dünnen Halbleiterschicht zur Folge. Bei dem in Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel werden diese Elektronen an der Halbleiterschichtaußenfläche gestreut. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 werden jedoch diese Ladungsträger auch benutzt. D. h. die Elektronen der Phasengruppe b

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vergrößern die Einschußwahrscheinlichke.it, mit der Ladungsträger durch die folgende dünne Isolatorschicht 12 in die zweite dünne Halbleiterschicht Ij5 eintreten.

Auf diese Weise wird der in die zweite dünne Halbleiterschicht 13 eingeschossene Ladungsträger mit einer kine-

tischen Geschwindigkeit entsprechend dem an der dünnen Isolatorschicht 12 anliegenden Potential in radialer Richtung ausgesehossen und folgt durch Wechselwirkung mit dem Magnetfeld einer durch die Bahnkurve d in der zweiten dünnen Halbleiterschicht bezeichneten Kreisbahn. Im Falle der für eine Umwandlung in Radiofrequenzenergie ungeeigneten Phasen-Gruppe a ist diese Phasengruppe hinsichtlieh der Ladungsträgerphasengruppe d, die eine halbe Periode durchlaufen hat, zur Umwandlung der kinetischen Energie in Radiofrequenzenergie gerade richtig, d. h..die durch das Radiofrequenzfeld abge- | bremste Phasengruppe. ·

.So induzieren die Ladungsträger der Phasengruppe a, die sich innerhalb der ersten dünnen Halbleiterschieht in einer ungünstigen Phasenlage befunden haben, Ladungsträger mit günstiger Phasenbeziehung innerhalb der zweiten dünnen Halbleiterschicht. Demzufolge erfolgt die Umwandlung von kinetischer Energie in Radiofrequenzenergie, welche ein

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Ziel der vorliegenden Erfindung darstellt, mit gutem Wirkungsgrad.

Wenn die an der dünnen Isolatorschicht 12 anliegende Spannung der an der dünnen Isolatonschicht 2 anliegenden Spannung gleich ist, muß man die Dicke der zweiten dünnen Halbleiterschicht etwa gleich der Dicke der ersten dünnen Halbleiterschicht wählen. Durch Zusammenstellung dieser dünnen Isolator- und Halbleiterschichten in wechselweise geschichteter Anordnung setzt ein Ladungsträger in einer günstigen Phasenlage innerhalb der η-ten dünnen Halbleiterschicht seine Kreisbewegung innerhalb derselben fort, und ein Ladungsträger in einer ungünstigen Phasenlage führt zu einem Ladungsträger mit günstiger Phasenlage innerhalb der (n + l)-ten Halbleiterschicht, so daß man Schichtungen mit einer solchen Dicke bilden kann, durch die das Radiofrequenzfeld im ganzen dringen kann.

Man kann selbstverständlich die dünnen Isolatorund Halbleiterschichten nach herkömmlichen Verfahren erzeugen, d. h. durch AufdampfniederSchlagsverfahren oder durch epitaxische Aufwachsverfahren. Man kann jedoch auch solche Werkstoffe wie pyrolytischen Graphit verwenden, bei denen das Kristallgitter selbst die Eigenschaft aufweist,

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daß es in Richtung der Achsen a und b leitend ist und in Richtung der c-Achse eine geringe Leitfähigkeit aufweist, was von einer großen Gitterkonstanten in Richtung der c-Achse herrührt.

Somit wird bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. J

mit einem besonderen Aufbau der dünnen Isolator- und Halb- *

leiterschichten in einem Schichtaufbau die Radiofrequenzausgangsleistung gesteigert. Wie man ferner aus dem Wirkungsprinzip der Anordnung ersieht, kann man den Gesamtwirkungsgrad verbessern, da eine statistisch große Anzahl von Ladungsträgern mit der gewünschten Phasenbeziehung benutzt wird.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, kann eine erfindungsgemäße Elektronenanordnung mit sehr kleiner Leistungsquelle,beispielsweise einem einzigen Ein- ' | heitselement,dieselbe Arbeitsweise zur Schwingungserzeugung und Verstärkung von Millimeterwellen erfüllen, die sonst mittels bekannter Elektronenröhren erreicht wird, die Hochspannungsquellen in der Größe mehrerer tausend Volt erfordern.

Ferner kann die erfindungsgemäße Anordnung in einem 90982 1/0265

Hochfrequenzbereich arbeiten, wo gewöhnliche Transistoren nicht arbeiten können. Die erfindungsgemäße Anordnung erfordert schließlich keine Purapleistungsquelle wie ein parametrischer Verstärker und besitzt weitere Vorteile., wie die Möglichkeit, einen Hochleistungsausgang zu erzeugen, da sie nicht quasistationär arbeitet wie eine Tunneldiode.

Selbstverständlich bezieht sich die vorstehende Beschreibung nur auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, und die Erfindung umfaßt alle Änderungen und Abwandlungen der zum Zwecke der Offenbarung ausgewählten Ausführungsbeispiele der Erfindung, die nüht von dem Wesen und Grundgedanken der Erfindung abweichen.

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PATENTANSPRÜCHE

Elektronenhalbleiteranordnung für Mikrowellen, gekennzeichnet durch eine Innerhalb einer ochaltungsan-

Ordnung mit verteilten Konstanten angeordnete dünne Halbleiterschicht, einen Ladungsträgerinjektor für die Halbleiterschicht und einen Magnetfeldgenerator zur Ablenkung der eingeschossenen Ladungsträger auf Kreisbahnen, wobei die gegenüber dem innerhalb der Schaltungsanordnung vorherrschenden Magnetfeld bevorzugte Phasenlagen aufweisenden Ladungsträger fokusiert werden, wodurch die kinetische Energie der Ladungsträger in eine elektromagnetische radiofrequente Leistung umgewandelt wird.
2. Elektronenhalbleiteranordnung für Mikrowellen, gekennzeichnet durch eine innerhalb einer Schaltungsanordnung mit verteilten Konstanten angeordnete dünne Halbleiterschicht, einen Ladungsträgerinjektor für die Halbleiterschicht mittels einer Aluminiumelektrode mit einer mit·dem Halbleiter innig verbundenen Oberflächenosydschicht und einen Magnetfeldgenerator zur Ablenkung der eingeschossenen Ladungsträger auf Kreisbahnen, wobei die gegenüber dem

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innerhalb der Schaltungsanordnung vorherrschenden Magnetfeld bevorzugte Phasenlagen aufweisenden Ladungsträger fokusiert werden, wodurch die kinetischeEnergie der Ladungsträger in, Energie des elektromagnetischen radiofrequenten Feldes umgewandelt wird.

3· Elektronenhalblelteranordnung für Mikrowellen, gekennzeichnet durch einen innerhalb einer Schaltungsanordnung mit verteilten Konstanten angeordneten-Schichtaufbau, in dem sich jeweils dünne Isolatorschichten und dünne Halbleiterschichten abwechseln, einen Ladungsträgerinjektor für die Halbleiterschicht und einen Magnetfeldgenerator zur Ablenkung der eingeschossenen Ladungsträger auf Kreisbahnen, wobei die Dicke einer jeden dünnen Isolatorschicht so gewählt ist, dai3 auo der auf einer Seite der Isolatorschicht befindlichen Halbleiterschicht Ladungsträger in die auf der anderen Seite der Isolatorschicht befindlichen Halbleiterschicht eingeschossen werden können, wobei die Dicke einer jeden dünnen Halbleiterschicht im wesentlichen gleich dem Kreisbahnradius der eingeschossenen Ladungsträger ist

und wobei im Mittel die., kinetische Energie der Ladungsträger durch Phasenfokusierung in elektromagnetische Radiofrequenzenergie umgewandelt wird.

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